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Entrevista a ALEJANDRO DATAS

INSTITUTO ENERGÍA SOLAR UNIV. POLITÉCNICA MADRID

 

 

Alejandro Datas (@AlejandroDatas) es Doctor en Energía Solar Fotovoltaica por la Universidad Politécnica de Madrid y experto en dispositivos de tercera generación de conversión fotovoltaica. Cabe destacar su dilatada experiencia en el campo del I+D en el sector renovable habiendo publicado artículos en revistas de reconocido prestigio internacional como Physical Review Letters o Progress in Photovoltaics y habiendo sido investigador en alguno de los centros tecnológicos más prestigiosos del mundo, como el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Instituto Tecnológico de Tokio.

Actualmente trabaja en el Instituto de Energía Solar de la UPM donde desarrolla su labor en la gestión, diseño, modelado y desarrollo de nuevas tecnologías fotovoltaicas dentro de programas de I+D tanto públicos como privados. También es promotor de un proyecto de innovación en el que pretende desarrollar una nueva forma de almacenar energía basada en silicio, el material más abundante en la corteza terrestre.

 

EL PODER DEL SOL

 

El titán Prometeo tuvo el valor de compartir parte del Sol con la humanidad mediante el fuego tras arrebatárselo a Helios/Apolo, lo que produjo la ira de Zeus y un castigo de titánicas proporciones: ser devorado eternamente por un águila.

Eduardo Prieto: Desde la antigüedad el poder del Sol, como fuente de toda forma de energía, ha cautivado al ser humano. ¿Cuál es el potencial del recurso solar a nivel internacional y nacional de cara a su aprovechamiento para la vida humana (calor y electricidad) mediante las distintas tecnologías relacionadas con la irradiación solar? ¿Aún queda mucho recorrido para poder aprovechar todo su potencial?

Alejandro Datas: Sin duda. Creo que estamos viviendo tan sólo los primeros pasos hacia el aprovechamiento masivo de la energía solar.

Por dar algunos números: sólo en 2013 se instalaron en el mundo unos 40 GW de potencia fotovoltaica, llevando la potencia instalada globalmente a 140 GW. Con esta capacidad se generarán unos 220,000 GWh de electricidad al año, que es sólo ligeramente inferior al consumo de electricidad en España en 2014. Y todo indica que estos números seguirán creciendo, impulsados por la bajada de precios de la electricidad fotovoltaica, que ya está por debajo de los 10 céntimos de euro por kWh en los emplazamientos más soleados (en Europa pagamos de media unos 20 céntimos por kWh).

 

Diferencia entre el coste de la electricidad fotovoltaica y el precio de la electricidad en el mercado minorista en Europa (segundo semestre de 2012):

  

 

Evolución de la instalación de potencia fotovoltaica en el mundo (2000-2013):

 

Pero la energía solar no se usa únicamente para generar electricidad. También puede utilizarse para generar calor en edificios, bien sea mediante sistemas de solar térmica o mediante paneles fotovoltaicos combinados con bombas de calor. Incluso en este sector, la espectacular bajada de precios de la energía fotovoltaica le está permitiendo empezar a competir con los precios del gas natural, que ronda los 7 céntimos de euro por kWh para el consumidor minorista.

A día de hoy sólo veo una barrera para su desarrollo de forma masiva, y es que al ser una fuente de energía intermitente, es necesario almacenarla para utilizarla cuándo y dónde la necesitemos. Y por ello creo que éste es el reto fundamental para el futuro. Ya están apareciendo soluciones, cada vez más rentables, como por ejemplo nuevos tipos de baterías y el hidrógeno (que puede producirse mediante energía solar). Pero hay que seguir trabajando para reducir aún más los costes del almacenamiento, de forma que combinados con las tecnologías solares (ya sea térmica o fotovoltaica) se conviertan en una alternativa rentable a los combustibles fósiles.

 

¿CÓMO FUNCIONA ESTE ARTILUGIO, DOCTOR?

 

Eduardo PrietoDesde principios del s. XXI, el desarrollo de la curva de aprendizaje de las energías renovables ha sido espectacular. Se han realizado grandes inversiones en esta línea y se han instaurado gran número de tecnologías. ¿Cuál es su principio de funcionamiento? ¿Cuáles serían las principales tecnologías en el estado del arte actual del ámbito fotovoltaico?

Alejandro Datas: El principio de funcionamiento de cualquier dispositivo fotovoltaico es, a grandes rasgos, el mismo. En pocas palabras consiste en que un fotón (la unidad mínima de energía de la luz solar) cede su energía a un material semiconductor para producir un electrón que se colecta por unos contactos hacia un circuito externo, produciendo una corriente eléctrica. Las diferencias entre unas tecnologías y otras radican fundamentalmente en el material o materiales semiconductores empleados para producir estos electrones.

La gran mayoría (aproximadamente el 80%) de los módulos fotovoltaicos producidos en el mundo utilizan silicio cristalino como material semiconductor. El silicio se obtiene a partir del cuarzo y es el segundo material más abundante en la corteza terrestre, después del oxígeno, pero el proceso de purificación hasta lograr el silicio que se utiliza para hacer la célula solar es relativamente costoso. La bajada de precios de los últimos años se ha debido (obviando los efectos puramente de mercado) al abaratamiento de los procesos de producción de silicio y a mejoras en el proceso de fabricación de las células, como por ejemplo, reduciendo su espesor y utilizando así menos cantidad de silicio por módulo.

 

Módulos de silicio cristalino, la tecnología que actualmente domina el mercado:

 

Las otras tecnologías que se reparten casi el 20% restante de la producción global, son las células de capa delgada, que utilizan silicio amorfo, CdTe (cadmio-teluro) o CIGS (cobre-indio-galio-selenio) como material semiconductor. La ventaja de estas tecnologías es que requieren menos cantidad de material semiconductor y que sus procesos de fabricación son más simples, por lo tanto tienen un coste potencial menor. Pero tienen otros problemas, principalmente relacionados la escasez y toxicidad de alguno de sus compuestos, su menor eficiencia o las incertidumbres respecto a su fiabilidad a lo largo de su vida útil.

 

Eduardo Prieto: Como actuales Prometeos, los investigadores intentan desarrollas nuevas líneas de investigación en cuanto al aprovechamiento del recurso solar mediante sofisticadas células solares. ¿Cuáles son las tecnologías de generación energética qué parecen despuntar en un medio plazo? ¿Cuál es la base tecnológica en la que se sostiene su funcionamiento?

Alejandro Datas: Existen algunas tecnologías que prometen irrumpir en el mercado fotovoltaico en los próximos años. Por ejemplo las Perovskitas, de las que últimamente se habla mucho y que ya han demostrado eficiencias superiores al 20% en menos de 5 años de desarrollo. La ventaja de estas células, al igual que las tecnologías de capa delgada, es que pueden fabricarse de una forma mucho más sencilla y barata que las células de silicio cristalino. Sin embargo, aún tienen problemas importantes relacionados con su rápida degradación y el hecho de que los dispositivos más eficientes utilizan plomo, un elemento conocido por su impacto medioambiental.

También están las células multiunión basadas en semiconductores III-V. Estas células son las que se usan en el espacio y ya han demostrado eficiencias record por encima del 45% (el doble que las células de silicio). Estas células emplean distintos materiales semiconductores de alta calidad, normalmente sintetizados en los mismos reactores empleados en la fabricación de LEDs, que se apilan monolíticamente uno encima de otro formando capas que absorben y transforman en electricidad una parte distinta del espectro solar. Debido a su alto coste, estas células se utilizan integradas en sistemas de concentración fotovoltaica (CPV) en los que se concentra la luz solar mediante lentes sobre células extremadamente pequeñas. En esta línea están trabajando varios equipos del IES, entre ellos el laboratorio de semiconductores III-V, donde ya se han conseguido células con eficiencias cercanas al 40%.

Células solares de triple unión fabricadas en España (en el grupo de semiconductores III-V del IES) con una eficiencia cercana al 40%:

 

El gran reto de la investigación actualmente es conseguir eficiencias elevadas a costes muy reducidos, de forma que el precio de la fotovoltaica baje de los 5 céntimos de euro por kWh. Para ello existen muchas líneas de investigación abiertas que cubren todo tipo de ideas, desde utilizar estructuras cuánticas, hasta desarrollar nuevos compuestos semiconductores. Y no dejan de surgir ideas. Por ejemplo, en Abril de este año Antonio Martí y Antonio Luque (investigadores del IES) han publicado en Nature sobre un nuevo tipo de célula solar (denominada TTHBT) que podría conseguir eficiencias tan elevadas cómo la multiunión pero con un coste menor.

Por otro lado, existen otros conceptos que permiten (sobre el papel) alcanzar eficiencias incluso mayores. Este es el caso de la célula de banda intermedia (también inventada por Antonio Martí y Antonio Luque en el IES), la célula de electrones calientes, o la MEG (multiple exciton generation) pero ninguno de ellos ha demostrado eficiencias muy elevadas por el momento. Para todos estos conceptos, si se combinan de forma adecuada, la eficiencia límite ronda el 80%.

También me gustaría mencionar que, aunque la tecnología fotovoltaica siempre se asocie a la conversión de la energía solar, los dispositivos fotovoltaicos también pueden utilizarse para convertir la radiación térmica (de incandescencia). Estos dispositivos se denominan termofotovoltaicos y es otra de las líneas en las que trabajamos en el IES. Las aplicaciones de estos dispositivos van desde recuperar el calor perdido en industrias de alta temperatura hasta desarrollar nuevos sistemas de almacenamiento de energía.

 

Grupo de estudios fundamentales del IES, en el que se están desarrollando nuevos dispositivos fotovoltaicos y termofotovoltaicos, como la célula solar de banda intermedia o la TTHBT:

 

Eduardo Prieto: Aunque las comparaciones son odiosas, siempre es bueno entender cuáles son las mejoras conseguidas con las actuales líneas de investigación y su impacto en la economía real. ¿Qué parámetros se emplean para medir la mejora en la eficiencia en estas tecnologías?

Alejandro Datas: Hay que tener cuidado a la hora de comparar distintas tecnologías fotovoltaicas. La forma más sencilla es mediante su eficiencia de conversión, ya que es un parámetro fácilmente medible en laboratorio. Sin embargo, el parámetro que realmente importa es el coste por cada vatio de potencia generado. O mejor, el coste neto (incluida la inversión inicial, los costes de operación y mantenimiento, etc) de la energía generada a lo largo de la vida útil de una instalación que utilice la tecnología en cuestión. A este coste se le denomina levelized cost of electricity  (LCOE) y es la figura de mérito más importante para cualquier tecnología de generación de electricidad.

En este sentido, uno de los retos al que se enfrentan todas las tecnologías fotovoltaicas de nueva generación es el de competir con la curva de aprendizaje de los módulos de silicio cristalino, que han bajado sus precios en base a unos grandes volúmenes de producción. Para ello es necesario que estas nuevas tecnologías supongan un avance realmente disruptivo en algún aspecto, bien sea mediante al abaratamiento del proceso de producción, el aumento de la eficiencia de conversión o el aumento del rendimiento a lo largo de su vida útil, todas ellas orientadas a conseguir un LCOE menor.

Sin embargo, desarrollar una tecnología más rentable no garantiza el éxito, ya que la siguiente barrera que se encuentran las nuevas tecnologías fotovoltaicas es la incertidumbre que conlleva el escaso número de experiencias en entornos reales durante periodos prolongados, algo que ya han demostrado ampliamente los módulos de silicio. Por ejemplo, este podría ser el caso de la tecnología CPV, que ya podría haber alcanzado valores de LCOE menores que los módulos de silicio en emplazamientos con niveles elevados de irradiación solar.

De todos modos hay que tener en cuenta que esta situación está propiciada por el hecho de que, por el momento, la capacidad de producción de módulos de silicio es suficiente para satisfacer con creces la demanda existente, y no es necesario por tanto construir nuevas fábricas. Sin embargo, en un contexto de demanda creciente, el hecho de que montar fábricas de ciertas tecnologías requiera una inversión inicial menor, como ocurre con la capa delgada o la CPV, puede llegar a suponer una ventaja competitiva importante.

 

Modulos CPV de la empresa japonesa Daido Steel. El receptor son lentes que concentran la luz solar sobre células unas mil veces más pequeñas:

 

Eduardo Prieto: Además del uso comúnmente conocido por todos de las placas fotovoltaicas en los tejados de los edificios y de la generación eléctrica mediante las nuevas técnicas que nos has mostrado, has comentado la posibilidad del empleo de las células térmo-fotovoltaicas (TPV) para el almacenamiento energético. Sin duda esta aplicación está alcanzando gran popularidad gracias al anuncio por parte de TESLA de comercializar baterías domésticas a nivel mundial y es de vital importancia para la correcta integración de las energías renovables en los sistemas eléctricos del futuro (Smart Grids). ¿Cuáles son las principales tecnologías enfocadas en esta línea de investigación? ¿Qué ventajas tienen con respecto a las baterías convencionales?

Alejandro Datas: Las tecnologías de almacenamiento disponibles hoy en día (incluidas las baterías de TESLA) tienen, en mi opinión, dos problemas fundamentales: el elevado coste y el empleo de materiales “conflictivos”. Por ejemplo, las baterías de TESLA utilizan litio, un material relativamente escaso y del que el 80% de reservas conocidas se concentran en tan sólo tres países (Bolivia, Chile y Argentina). Tampoco son rentables, ya que el precio que se le suma a la electricidad sólo por pasar a través de la batería es de 35 céntimos de dólar por cada kWh (suponiendo 1000 ciclos de vida útil, típico de las baterías de litio), que es incluso superior al precio medio de la electricidad en Europa.

Es verdad que se espera que el precio de las baterías baje en los próximos años, pero no hay que olvidar que en el medio-largo plazo no podremos abastecernos de sistemas de acumulación basados en materiales tan escasos y problemáticos como el litio. Por ello, muchas empresas y centros de investigación están trabajando en nuevas tecnologías de almacenamiento basadas en materiales abundantes y que no supongan riesgos para el medioambiente. Algunos ejemplos destacados son las empresas financiadas por Bill Gates (Ambri, Aquion Energy o LightSail) que tratan de utilizar materiales tales como el agua, metales abundantes o simplemente, aire.

Nosotros estamos trabajando en esta misma línea. Lo que queremos hacer es almacenar energía en silicio, el material más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno. El silicio tiene un calor latente anómalamente alto, de diez a veinte veces superior que el de las sales empleadas en los sistemas termosolares. Esto hace que en un volumen de 30x30x30cm de silicio fundido se almacene tanta energía cómo la consumida en una vivienda unifamiliar, incluyendo electricidad y calefacción. Esta capacidad (1.2 MWh/m3) es unas cuatro veces superior a la de las baterías de litio y diez veces superior a la de las baterías de plomo.

Pero el reto fundamental es convertir ese calor latente en electricidad de una forma eficiente, ya que al tener una temperatura de fusión muy elevada (unos 1400ºC), no se pueden utilizar las tecnologías convencionales, como por ejemplo, las empleadas en los sistemas termosolares. Por ello nosotros estamos tratando de emplear células termofotovoltaicas, que sí permiten trabajar a esas temperaturas y aún mucho mayores.

 

Sistema de almacenamiento de energía basado en silicio y células termofotovoltaicas (TPV) desarrollado en el IES:

 

Nuestro objetivo final, como el de cualquier desarrollador de tecnologías de almacenamiento, es el de conseguir costes por debajo de los 5 céntimos de euro por cada kWh que pasa por el sistema, de forma que sumados a los costes de generación eléctrica renovable (por ejemplo, los 10 céntimos de la fotovoltaica) supongan, en su conjunto, una solución rentable frente a los combustibles fósiles.

 

APOYANDO LA #REVOLUCIÓNRENOVABLE

 

Eduardo Prieto: El sector energético es uno de los más intensivos en inversión en I+D de las economías desarrolladas. En ese sentido, ¿se encuentra el suficiente apoyo institucional y del sector privado para desarrollar proyectos de I+D, tanto en el sector energético como en otros, y garantizar el éxito de los mismos en el futuro?

Alejandro Datas: Me resulta complicado responder a esta pregunta, porque me siento tentado a decir que nunca es suficiente. Pero si por suficiente entendemos la necesaria como para estar a la altura de países como Francia, Alemania, Japón o Estados Unidos, la respuesta es claramente que no. Para tratar de codearnos con estos países tenemos que compensar la falta de financiación con ingenio, creatividad y muchísimo esfuerzo. Pero para muchas cosas esto no es suficiente. Sin duda, existe mucho talento desaprovechado y muchas ideas que se quedan en el tintero por falta de financiación, pero es la sociedad española en su conjunto, y no los investigadores, la que debe decidir si quiere apostar por estos desarrollos. Nuestro papel se limita a tratar de explicar su importancia.

 

Eduardo Prieto: Dentro del sector energético, la #REVOLUCIÓNRENOVABLE ha desdibujado la cadena de valor convencional del sector. En cualquier cambio drástico a nivel socioeconómico se producen una serie de motores y frenos del cambio. ¿Consideras que a nivel nacional se ha producido un cambio en la mentalidad de la sociedad, el sector y las Administraciones Públicas que ha permitido una penetración renovable acorde a su potencial? ¿Han sido acertadas las decisiones del Gobierno en materia de legislación en aspectos tan importante como el autoconsumo o la promoción de las energías renovables?

Alejandro Datas: Creo que en España nos hemos equivocado casi en todo lo relacionado con la legislación sobre energías renovables. Al menos en lo que concierne a la fotovoltaica.

El primer error fue mantener unas primas constantes mientras los precios de la tecnología bajaban, lo cual originó unos márgenes de beneficios crecientes que desembocaron en la burbuja fotovoltaica de 2008. El segundo error, en mi opinión, fue cuando en 2011 paramos en seco las ayudas a estas tecnologías, lo cual provocó el derrumbe del sector que tanto nos había costado crear. Hoy en día la situación es más sangrante si cabe, cuando el único incentivo necesario sería el de legislar favorablemente el autoconsumo, y en vez de eso se suben los términos de potencia y se amenaza con impuestos al sol. Con todo, creo que el cambio al que te refieres es ya imparable, y no tardará en llegar a España de una forma mucho más contundente.

 

Eduardo Prieto: Uniendo con la anterior pregunta ¿Crees que a raíz de decisiones políticas e intereses particulares se han estigmatizado a las energías renovables y, más concretamente, a la solar?

Alejandro Datas: Sin duda. Creo que hemos ideologizado en extremo un tema tan importante como es nuestro modelo energético. Algunos aún piensan que apoyar las renovables es de izquierdas y no hacerlo de derechas, y esto ha contaminado muchísimo el debate. Detrás de todo este ruido están, sin duda, los distintos lobbies sectoriales que se empeñan en mantener intacto su modelo de negocio. Como resultado de todo esto, creo que en España nos hemos quedado aislados del resto del mundo en este aspecto y hemos perdido consciencia de la relevancia que las renovables están teniendo fuera de nuestras fronteras. Pero mi sensación (o esperanza) es que esto está cambiando y cada vez menos gente dude de que el desarrollo de las renovables, y en concreto de la solar fotovoltaica, es imparable.

 

CAMBIANDO EL MUNDO

 

Eduardo Prieto: Me gustaría cerrar esta entrevista, agradeciéndote enormemente tu participación que, como en el caso de todos nuestros colaboradores, nos dais luz en un tema de una importancia vital para las sociedades modernas como es #LAENERGÍADELMUNDO. Siempre me gusta terminar preguntando cuál crees que es el futuro energético que nos espera y cuáles son tus propuestas para alcanzar un escenario ideal.

Alejandro Datas: Muchas gracias a ti por la oportunidad de dar mi opinión sobre estos temas.

Como he dicho al principio, creo que la mayor parte de la energía que consumiremos en el futuro provendrá de la energía solar, generada tanto en nuestros propios domicilios y centros de trabajo, como en sus cercanías.

El recurso solar tienen un aspecto clave que lo diferencia de prácticamente todos los demás, y es que es fácilmente accesible para cualquiera. Basta con salir a la calle para disponer de él. El hecho de que esta energía abundante sea fácilmente convertible en electricidad provocará, sin duda, cambios profundos en la forma en la que vivimos y nos relacionamos. Por ejemplo, es probable que la energía solar sea en la que basen su desarrollo los países que hoy son del tercer mundo, sin necesidad de acudir a los complejos y costosos sistemas en los que nosotros hemos basado el nuestro.

Estoy convencido de que este avance es ya imparable. Pero debemos seguir trabajando para solucionar los retos que plantea el futuro más inminente, que en mi opinión es principalmente el de desarrollar tecnologías para almacenar la energía solar de forma barata y eficiente.

Y si miramos más aún al futuro, creo que debemos tener presente un problema muy importante. Y es la posible escasez de recursos naturales. Si pretendemos abastecer al mundo de energía solar, que es un recurso disperso y por lo tanto muy intensivo en el uso de materias primas, debemos asegurarnos de utilizar materiales abundantes, fácilmente reciclables y sin impacto medioambiental. Y esto afecta no sólo a los paneles fotovoltaicos, si no al resto de tecnologías que los acompañan.

 

Entrevista realizada por Eduardo Prieto (@EdwardFoxley)